传感器原理与应用 课件 chap3 电容式传感器

传感器原理与应用传感器技术教学团队第三章电容式传感器CONTENTS电容式传感器的基本工作原理和结构类型电容式传感器的测量电路基于MEMS的微型电容式传感器电容式传感器的基本工作原理和结构类型电容式传感器是能把某些被测非电量的变化，通过一个可变电容器，转换成电容量的变化的装置。利用电容式传感器可用来测量声强、液位、水量、振动、压力、厚度等参数，特别是可测量百分之几微米数量级的微位移值。一、电容式传感器的基本工作原理当忽略边界效应时，对于图3.1所示平行极板电容器，其电容量和两个极板的间隙、表面积之间的关系可用下式表示：式中：C为电容(pF)；ε为极板间介质的介电系数(空气的ε≈1)；Sb为两个极板相互覆盖的面积(cm2)；d为极板间距(cm)；εr为相对介电系数；ε0为真空介电系数(ε0=0.088542×10－12F/cm)。二、电容式传感器的结构类型电容式传感器的基本工作原理和结构类型在Sb、d、ε三个参数中，如果保持其中两个参数不变,就可把另一个参数的单一变化转化成电容量的变化,也就是说,可以把三个参数中的任意一个的变化转换成电容的变化.这就是电容器式传感器的基本工作原理。1、变极距型电容传感器当动极板受被测物体作用产生位移时，改变了两极板间距d，极板间为空气介质，极板初始距离为d0，则初始电容量C0为：电容式传感器的基本工作原理和结构类型当极板间距变化时，有：电容的相对变化量为：电容式传感器的基本工作原理和结构类型电容的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系，在误差允许范围内，通过略去高次项得到其近似的线性关系如下：电容传感器的静态灵敏度系数为：只考虑线性项和二次项，忽略其他高次项，则得：非线性误差为：电容式传感器的基本工作原理和结构类型在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，常用差动式结构，如图3.3所示。上下两个极板为固定极板，中间极板为活动极板。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。当被测量使活动极板移动时，由活动极板与两个固定极板所形成的两个平板电容的极距一个减小、一个增大，差动电容器总电容变化为：忽略高次项，灵敏度系数和非线性误差分别为：电容式传感器的基本工作原理和结构类型2、变面积型电容传感器（1）用于线位移测量的电容式传感器①平板单边直线位移式电容传感器如图3.5所示，若忽略边缘效应，当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时：电容变化为：灵敏度系数为：电容式传感器的基本工作原理和结构类型②圆柱式线位移电容传感器实际应用中常用圆柱式电容器测量大位移，如右图，其电容为：当重叠长度变化时，电容变化为：灵敏度系数为：电容式传感器的基本工作原理和结构类型转动θ角时，有：灵敏度系数为：θ=0时，电容：（2）用于角位移测量的电容式传感器如图3.7所示，当动片有一角位移θ时，两极板间的覆盖面积就改变，从而改变了电容量。电容式传感器的基本工作原理和结构类型3、变介电常数型电容传感器图3.8所示的同轴圆柱形电容器的初始电容为测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。设C1为液体有效高度hx形成的电容，

C2为空气高度h－hx形成的电容，

C为并联总电容，则有：电容式传感器的基本工作原理和结构类型图3.9所示为一种测量介质位移的变介电系数型的电容式传感器：设：则：C=CA+CB，d=d1+d2。无介质ε2时，有：介质ε2移进电容器x长度时，有：电容式传感器的基本工作原理和结构类型电介质材料的相对介电常数

电容式传感器的测量电路由于电容及其变化量均很小(几皮法至几十皮法)，因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及其增量，并将其转换成电压、电流或频率，以便于显示、记录及传输。一、调频电路调频电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，其缺点是寄生电容对测量精度的影响较大。电容式传感器的测量电路二、运算放大器式电路如果传感器是一个平板电容，则有：“－”号表示输出电压的相位与电源电压相反。式(3.2-2)说明运算放大器的输出电压与极板间距成线性关系。当传感器没有输入时，C1=C2，电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。当传感器输入不为零时，则在一个周期内流过RL的平均电流不为零，因此产生输出电压，其在一个周期内的平均值为：电容式传感器的测量电路三、二极管双T形交流电桥电源频率为f，设：则：直流输出电压为A、B两点电压平均值，UA与UB之差，即：电容式传感器的测量电路四、脉冲宽度调制电路当电阻R1=R2时，有：则：对于差动式变极距型电容传感器和差动式变面积型电容传感器，则分别有：基于MEMS的微型电容式传感器由于电容式传感器的敏感元件仅为导电极板,不需要特殊的微细加工工艺步骤，因此非常适合结合MEMS工艺实现微型化。需要重点克服的问题主要有：电容值比较小、信号幅值小、结构中存在寄生电容、静电场的影响等。一、微型电容式加速度传感器一般采用平行极板式结构，其敏感原理是最常见的变极距式。位于中心的质量块将垂直方向的加速度转换为质量块的位移，并进而转换为敏感电极间距的变化，从而可通过测量电极间的电容值得到加速度值。基于MEMS的微型电容式传感器大部分加速度传感器都可等效为一个如图3.15所示的二阶系统，加速度测量的原理则是基于牛顿定律。如图3.16所示，作为加速度传感器，其频率响应有一个上限，即最高频率不能超过传感器系统的谐振频率。而作为振动传感器，其频率响应有一个下限，即最低频率不能低于传感器系统的谐振频率。基于MEMS的微型电容式传感器关于加速度传感器的几点常识：加速度传感器一般包括一个质量块、一个弹性环节及一个位移传感器。加速度传感器的总体性能一般会受到两方面的限制。一是弹性环节的机械性能，如线性、动态范围、对其他轴向加速度的敏感特性等；二是位移传感器的灵敏度。加速度传感器的带宽越高，所需要的位移检测分辨率越高。基于MEMS的微型电容式传感器图3.17为一种已实用的，具有差动输出的基于组合梁的硅电容式单轴加速度传感器原理示意图。该结构可以敏感沿着连接单元主轴方向的加速度。该结构只能敏感沿连接单元主轴方向的加速度。将两个或三个这样的敏感结构组合在一起，就可以构成微结构双轴或三轴加速度传感器。基于MEMS的微型电容式传感器一、微型电容式压力传感器忽略边缘效应时，初始电容为在被测压力P的作用下，膜片向间隙方向呈球状凸起